即便全球疫苗不足已然是一个问题，但SARS-CoV-2依然很有可能发生变异并形成新的变异株。随着病毒基因组的突变，病毒已经“学会”免疫逃避，从而使得疫苗可能会失效。为了控制疫情，科学家们一直在收集感染者的样本并通过基因测序监测新的突变。尽管这种方法很准确，但耗时且成本高。京都理工学院和京都医科大学的研究人员基于拉曼光谱及光谱衍生的条形码识别变异毒株的能力提出了另一种更省时的方法。
拉曼条形码对SARS-CoV-2变异毒株进行编码
“拉曼光谱在微生物学中是一种非常有效的方法，能够在分子水平提供有力的信息。”近期以共同第一作者在AdvancedScience上发表了一项研究的GiuseppePezzotti说，“拉曼光谱也可以用来原位监测活细胞的新陈代谢和生理变化，包括病毒感染的分子机制（见图片）。我们还掌握了不同流感毒株的数据，并利用拉曼光谱收集了它们的失活机制。”Pezzotti和他的同事OsamMazda希望在当前病毒大流行开始时就能快速应用这种方法，从而为科学家们提供有效信息并控制局势。
识别病毒不断变化的结构元素
拉曼光谱是一种无破坏性即可获得化学结构信息的分析技术。样品用单色光照射（通常是激光照射），然后收集并分析散射光。大部分散射光与入射激光波长相同，但有一小部分散射出不同的波长，这是因为其被吸收后另一部分通过分子中的化学键重新发射出来。
这被称为“拉曼光”，它受原子重量、化学键强度及其在分子中的空间排列的影响。最简单的类比就是“球-弹簧模型”，原子间的化学键可以被认为是连接两个球的弹簧。受弹簧刚度、球的重量以及其与弹簧的连接方式等因素影响的振动频率决定了球“弹跳”的方式，并将动能重新转化到系统内。
同样地，当光或能量达到一定的频率时，化学键将吸收这些能量，并将其中的一部分以光的形式重新发射出来。根据前面提到的因素，不同的分子元素会以特定的方式散射入射光，并发出特有的拉曼光谱。因此，拉曼光谱提供了一种“化学指纹”，Pezzotti和Mazda已经将其与SARS-CoV-2不同变异毒株的分子结构直接联系起来。
Pezzotti说：“在分子水平上，SARS-CoV-2病毒变异毒株中有许多结构细节不同。包括氨基酸残基、RNA碱基和蛋白质的二级结构，它们在拉曼光谱中都能很清晰地观察到。例如，硫元素存在于蛋氨酸和半胱氨酸这两种氨基酸中，而它们都存在于病毒蛋白质中，并与碳原子形成紧密连接，由于分子结构和对称性的影响使得它们在不同频率的拉曼光谱中清晰可见。该团队利用这些化学特征（因病毒的分子结构而不同）发现了变异株之间的关键差异。Pezzotti补充到：“不同SARS-CoV-2变异毒株中蛋氨酸和半胱氨酸的分子对称性差异十分显著。”
此外，研究小组还发现，他们可以利用RNA碱基中的嘌呤和嘧啶作为“化学指纹”来区分病毒株。Pezzotti说：“这些碱基由于其芳香环结构的不同而具有不同的分子振动。而这些特征性的振动，以及拉曼信号，可以定位到基因组中的每个RNA碱基，它们的相对强度不仅部分反映了它们在RNA中的丰度，而且能反映其在RNA中的排列顺序。”
为不同的变异毒株创建条形码，以有效地保存记录
结合不同结构元素提供的线索，该团队能够推断出最终刺突蛋白结构的变化，并识别出变异毒株之间病毒基因组发生改变的部分。到目前为止，该团队已经收集了一些已知的SARS-CoV-2变异毒株的拉曼数据，包括Delta变异毒株。
下一步是根据它们的光谱为每个变异毒株设计“拉曼条形码”。而这通过如下算法实现：光谱中的每个波段规定为一条宽度等于其带宽1/50的线，与相邻线之间的距离与波段的面积成比例。Pezzotti说：“这只是利用拉曼光谱构建条形码甚至QR码的众多方法之一”。其目标是建立一种高效的电子记录保存手段，并提高识别变异毒株许多隐藏于拉曼光谱中的结构特征的能力。
“拉曼光谱既能在分子尺度上解析病毒结构，又能快速提供关于新型冠状病毒变异的信息，这可能是未来病毒学研究和病毒追踪的关键。”Mazda补充说:“不同于传统的PCR检测，拉曼光谱可以实现变异的快速识别，只要它能与临床样本中快速有效的病毒分离和浓缩技术相匹配。”
转载自：AdvancedScienceNews
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